פיצוי תדרים של מגבר אופ ומדוע זה חשוב במבצע שלך

מגברים תפעוליים או מגברי אופ-נחשבים כסוס העבודה של עיצובים אלקטרוניים אנלוגיים. עוד מתקופת המחשבים האנלוגיים שימשו מגברי אופ-אמפר לפעולות מתמטיות בעלות מתח אנלוגי ומכאן השם מגבר תפעולי. עד כה מגברי אופ-מגבר משמשים בהרחבה להשוואת מתח, בידול, אינטגרציה, סיכום ודברים רבים אחרים. למותר לציין כי מעגלי המגבר התפעולי קלים מאוד ליישום למטרות שונות אך יש לו מעט מגבלות המובילות לעיתים קרובות למורכבות.

האתגר העיקרי הוא לשפר את היציבות של מגבר Op ברוחב פס רחב של יישומים. הפיתרון הוא לפצות את המגבר מבחינת תגובת התדרים, באמצעות מעגל פיצוי תדרים על פני המגבר התפעולי. היציבות של מגבר תלויה מאוד בפרמטרים שונים. במאמר זה בואו להבין את החשיבות של פיצוי תדרים וכיצד להשתמש בו בעיצובים שלכם.

יסודות מהירים על מגבר אופ

לפני שנכנס היישום מראש למגברים תפעוליים וכיצד לייצב את המגבר בטכניקת פיצוי תדרים, בואו נחקור כמה דברים בסיסיים לגבי המגבר התפעולי.

ניתן להגדיר מגבר כתצורה של לולאה פתוחה או כצורה של לולאה סגורה. בראיון בתצורת לולאה פתוחה, אין משוב מעגלים המשויכים אליו. אך בתצורה של לולאה סגורה, המגבר זקוק למשוב כדי לעבוד כראוי. למבצע יכול להיות משוב שלילי או משוב חיובי. אם אנלוגי רשת המשוב אנלוגי על גבי המסוף החיובי של המגבר, זה נקרא משוב חיובי. אחרת, במגברי משוב שלילי יש מעגלי משוב מחוברים על גבי מסוף שלילי.

מדוע אנו צריכים פיצוי תדרים במגברי-מגבר?

בואו נראה את מעגל המגבר שלמטה. זהו משוב שלילי פשוט שאינו הופך את מעגל ה- Op-Amp. המעגל מחובר כקונפיגורציה של חסיד רווח אחדות.

המעגל שלעיל נפוץ מאוד באלקטרוניקה. כידוע למגברים יש עכבת כניסה גבוהה מאוד על פני הקלט ויכולים לספק כמות סבירה של זרם על פני הפלט. לכן, ניתן להניע מגברים תפעוליים באמצעות אותות נמוכים כדי להניע עומסים בעלי זרם גבוה יותר.

אך מהו הזרם המקסימלי שהמגבר יכול לספק בכדי להניע את העומס בבטחה? המעגל הנ"ל מספיק טוב בכדי להניע עומסי התנגדות טהורים (עומס התנגדות אידיאלי) אך אם נחבר עומס קיבולי על פני הפלט, מגבר ה- OP יהפוך לא יציב ועל סמך הערך של קיבולת העומס במקרה הגרוע ביותר, מגבר ה- OP עשוי להיות אפילו להתחיל להתנודד.

בואו נבדוק מדוע המגבר הלהקה לא יציב כאשר מתחבר עומס קיבולי לרוחב הפלט. ניתן לתאר את המעגל הנ"ל בנוסחה פשוטה -

A ₌ A / 1 + Aß

_CL היא רווח לולאה סגורה. A הוא רווח הלולאה הפתוח של המגבר. ה

התמונה לעיל היא ייצוג של הנוסחה ומעגל מגבר המשוב השלילי. זה זהה לחלוטין למגבר השלילי המסורתי שצוין קודם לכן. שניהם חולקים קלט AC במסוף החיובי, ולשניהם יש את אותו משוב במסוף השלילי. המעגל הוא צומת המסכם בעל שתי כניסות, אחת מאותות הכניסה והשנייה ממעגל המשוב. ובכן, כאשר המגבר עובד במצב משוב שלילי, מתח המוצא השלם של המגבר זורם דרך קו המשוב לנקודת צומת הסיכום. בצומת הסיכום, מתח משוב ומתח הכניסה מתווספים יחד ומועברים חזרה לכניסת המגבר.

התמונה מחולקת לשני רווחים. ראשית, הוא מציג מעגל לולאה סגורה מלאה מכיוון שמדובר ברשת לולאה סגורה וגם מעגל הלולאה הפתוחה של המגברים מכיוון שמגבר ה- OP שמראה A הוא מעגל פתוח עצמאי, המשוב אינו מחובר ישירות.

הפלט של צומת הסיכום מוגבר עוד יותר על ידי רווח הלולאה הפתוחה של המגבר. לכן, אם הדבר השלם הזה מיוצג כצורה מתמטית, התפוקה על פני צומת הסיכום היא -

Vin - Voutß

זה עובד מצוין כדי להתגבר על נושא חוסר היציבות. רשת ה- RC יוצרת מוט באחדות או ברווח של 0dB השולט או מבטל אפקט מוטות בתדר גבוה אחר. פונקציית ההעברה של תצורת המוט הדומיננטית היא -

איפה, A (ים) היא פונקציית ההעברה ללא פיצוי, A היא הרווח של הלולאה הפתוחה, ώ1, ώ2 ו- ώ3 הם התדרים שבהם הרווח מתגלגל ב -20dB, -40dB, -60dB בהתאמה. עלילת ה- Bode שלהלן מראה מה קורה אם מתווספת טכניקת הפיצוי של הקוטב הדומיננטי על פני פלט המגבר, כאשר fd הוא תדר הקוטב הדומיננטי.

2. פיצוי מילר

טכניקת פיצוי יעילה נוספת היא טכניקת פיצוי הטוחן והיא טכניקת פיצוי לולאה כאשר נעשה שימוש בקבל פשוט עם או בלי נגד בידוד עומס (Nulling resistor). פירוש הדבר שקבל מחובר בלולאת המשוב כדי לפצות את תגובת התדר המגבר.

מעגל פיצוי מילר מוצג למטה. בטכניקה זו, מחובר קבל למשוב עם נגד על פני הפלט.

המעגל הוא מגבר משוב שלילי פשוט עם רווח הפוך התלוי ב- R1 ו- R2. ה- R3 הוא הנגד האפס וה- CL הוא העומס הקיבולי על פלט המגבר. CF הוא קבל המשוב המשמש למטרות הפיצוי. הקבל וערך הנגד תלויים בסוג שלבי המגבר, פיצוי המוט והעומס הקיבולי.

טכניקות פיצוי תדרים פנימיות

מגברים תפעוליים מודרניים הם בעלי טכניקת פיצוי פנימית. בטכניקת הפיצוי הפנימי, מחובר קבל משוב קטן בתוך מגבר ה- OP בין השלבים השניים טרנזיסטור הפולט הנפוץ. לדוגמה, התמונה שלהלן היא התרשים הפנימי של מגבר OpM פופולרי LM358.

הקבל Cc מחובר על פני Q5 ו- Q10. זהו קבלים הפיצויים (Cc). קבל פיצוי זה משפר את יציבותו של המגבר וכמו כן מונע את התנודה ואפקט הצלצול על פני הפלט.

פיצוי תדרים של מגבר אופ - סימולציה מעשית

כדי להבין פיצוי תדרים באופן פרקטי יותר, בואו ננסה לדמות אותו על ידי התחשבות במעגל הבא -

המעגל הוא מגבר משוב שלילי פשוט המשתמש ב- LM393. למגבר-על זה אין קבלים פיצויים מובנים. אנו מדמים את המעגל ב- Pspice עם עומס קיבולי של 100pF ונבדוק כיצד הוא יתפקד בתפעול נמוך ובתדירות גבוהה.

כדי לבדוק זאת, יש לנתח את רווח הלולאה הפתוח ואת שוליים הפאזה של המעגל. אבל זה קצת מסובך עבור התבלין שכן הדמיית המעגל המדויק, כפי שמוצג לעיל, תייצג את הרווח במעגל הסגור. לכן צריך לקחת שיקולים מיוחדים. הצעד להמרת המעגל הנ"ל לסימולציית רווח פתוח (לולאה לעומת שלב) ב pspice מוצג להלן,

1. הקלט מבוסס על השגת תשובת המשוב; התעלמות מקלט לולאה סגורה לפלט.
2. קלט הפוך מחולק לשני חלקים. האחד הוא מחלק המתח והשני הוא המסוף השלילי של המגבר.
3. שמם של שני חלקים יוצר שני צמתים נפרדים ומטרות זיהוי בשלב הסימולציה. שמו של קטע מחלק המתח משונה כמשוב והמסוף השלילי שונה לשם קלט Inv. (קלט הפוך).
4. שני הצמתים השבורים הללו מחוברים למקור מתח 0 וולט DC. זה נעשה מכיוון שמונח מתח DC, לשני הצמתים יש מתח זהה שהוא חיוני למעגל כדי לספק את דרישת נקודת ההפעלה הנוכחית.
5. הוספת מקור המתח עם 1V של גירוי ה- AC. זה מאלץ את שני הפרשי המתח הצמתיים להיות 1 במהלך ניתוח ה- AC. דבר אחד חיוני במקרה זה, שיחס המשוב והקלט ההפוך יהיה מהימן ברווח הלולאה הפתוחה.

לאחר ביצוע השלבים לעיל, המעגל נראה כך -

המעגל מופעל באמצעות מסילת אספקת חשמל 15V +/-. בואו לדמות את המעגל ולבדוק את עלילת קוד הפלט שלו.

מכיוון שלמעגל אין פיצוי תדרים, כצפוי הסימולציה מציגה רווח גבוה בתדר נמוך ורווח נמוך בתדר גבוה. כמו כן, הוא מציג מרווח פאזה גרוע מאוד. בואו נראה מה השלב ברווח של 0dB.

כפי שאתה יכול לראות אפילו בשיעור של 0dB או בהצלבה של אחדות, המגבר מספק 6 מעלות של מעבר שלב רק בעומס קיבולי של 100pF בלבד.

עכשיו בואו נאלתר את המעגל על ​​ידי הוספת נגד פיצוי תדרים וקבלים ליצירת פיצוי מילר על פני המגבר ולנתח את התוצאה. נגד של 50 אוהם של אפס מונח על פני המגבר והפלט עם קבל פיצוי של 100pF.

הסימולציה נעשית והעקומה נראית כמו להלן,

עקומת השלב הרבה יותר טובה עכשיו. העברת הפאזה ברווח של 0dB היא כמעט 45.5 מעלות. יציבות המגבר מוגברת מאוד באמצעות טכניקת פיצוי התדרים. לכן, הוכח כי טכניקת פיצוי התדרים מומלצת מאוד ליציבות טובה יותר של מפת האופ. אבל רוחב הפס יקטן.

כעת אנו מבינים את החשיבות של פיצוי תדרים של Opamp וכיצד להשתמש בו בתכנוני Op-Amp שלנו כדי למנוע בעיות חוסר יציבות. מקווה שנהניתם לקרוא את ההדרכה ולמדתם משהו שימושי. אם יש לך שאלות השאיר אותן בפורומים שלנו או בסעיף ההערות למטה.